声速测量系统的群延时分析.pdf

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1、74传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)2013年第32卷第3期声速测量系统的群延时分析戴卫华，乔纯捷，赵慎，李东生，周超(国防科技大学机电工程与自动化学院。湖南长沙410073)摘要：在时差法、相位法等声速测量方法中，由换能器群延时引起的系统非线性相位响应是制约声速测量精度的重要因素。采用窄带线性模型近似描述换能器工作频段内的相位响应曲线，并分别通过相关检测与多频点测量的实验方法对模型加以验证。结果表明：窄带线性模型与换能器工作频段内的实际相位响应吻合良好，可

2、用于准确估计声速。关键词：声速测量；换能器；群延时；窄带线性模型中图分类号：TP212．9文献标识码：A文章编号：1000-9787(2013)03-0074-04GroupdelayanalysisofacousticvelocitymeaSUrementsystemDAIWei—hua，QIAOChun-jie，ZHAOShen，LIDong—sheng，ZHOUChao(SchoolofMechatronicsEngineeringandAutomation，NationalUniversityofDefen

3、seTechnology，Changsha410073，China)Abstract：Inacousticvelocitymeasurementmethod，basedonTDOAorPDOA，nonlinearphaseresponsecausedbygroupdelayoftransducerisamajorfactorthatlimitsmeasurementprecision．Anarrowbandlinearmodelisadopttodescribethephaseresponsecurveinwork

4、ingbandoftransducer，andverifiesthroughcorrelationdetectionandmulti·frequencypointmeasurementexperimentalmethods．Resultsshowthatthenarrowbandlinearmodelisagreeablewithrealphaseresponseoftransducerinworkingfrequencyband，andcanusedtoaccuratelyestimateacousticvelo

5、city．Keywords：acousticvelocitymeasurement；transducer；group—delay；narowbandlinearmodel0引言海水声速测量方法可分为间接测量法与直接测量法丽CH]攀大类⋯。直接测量法是直接测量与声速相关的物理量，进而得到声速0。时差法和相位法都属于直接测量法，需要信q产生模块换能器收发横块情采集模块直接或间接地估计声波在已知距离的水声信道中的传播时图1实验系统框图间，以换算出声速值。Fig1Blockdiagramofexperimentalsyst

6、em基于时差法或相位法的高精度声速测量依赖于传播时本文实验系统拟采用的压电换能器串联谐振基频约为间的精确估计，针对传播时问精确估计的研究自然成为热800kHz，串联谐振工作频带约为[790，810]kHz；并联谐振点之一，例如：文献[3，4]。然而声速测量系统的标定，尤基频约为lMHz，并联谐振工作频带约为[990，1010]kHz。其是系统相位响应与群延时特性的校准是精确估计传播时信号采集模块AD采样频率为10MHz。间的前提。鉴于目前关于声速测量系统群延时的研究不2系统群延时分析与应用多，本文从系统群延时的应用

7、出发对声速测量系统的群延2．1系统群延时分析时特性进行分析。将信号产生模块发送的信号记为(t)，换能器收发模1声速测量系统结构组成块记为系统h(t)，信号采集模块输入端接收到的模拟信号基于时差法或相位法构建的声速测量系统基本组成包记为Y(t)，采样时间间隔为，则采集得到的样本序列记为括：信号产生模块、换能器收发模块、信号采集模块等。Y[n]=y(n)。图i可抽象为如下线性时不变系统。图1是实际搭建的一种声速测量实验系统框图。可得简单关系如下收稿日期：2012--08-23第3期戴卫华，等：声速测量系统的群延时分析Y

8、(t)=(t)-h(t)，(1)y(j力)=日(jn)X(j力)．(2)趔馨罂图2中，将换能器收发模块抽象为系统h()，实际上由发射换能器、水声信号、接收换能器3个子系统级联组成，n0力。n假设分别为hl(t)，h2(t)，h3(t)，则有频率频率图3换能器频率响应示意图日(jn)=HI(jn)·(j力)·(j力)．(3)Fig3Frequencyrespo